大跨度简支钢箱梁设计与施工

大跨度简支钢箱梁设计与施工

姚长见

（中铁九局集团有限公司勘察设计院，辽宁沈阳110051）

摘要：沈阳市南北快速干道工程南段高架桥采用70.0m简支钢箱梁跨越沈吉线及新开河，为减小对铁路运营和地面道路交通的影响，采用顶推法施工。运用空间板壳有限元理论对钢箱梁在施工及运行阶段进行了受力分析，保证了钢箱梁施工及后期运行安全。本工程的成功实施为同类型钢箱梁设计及施工积累了宝贵经验。

关键词：大跨度；简支钢箱梁；顶推法；空间板壳有限元理论

箱梁截面抗弯、抗扭刚度大及整体性好，具有较大的跨越能力。钢箱梁与混凝土梁相比自重轻、相同跨径下其梁高小，施工工期较短，为此钢箱梁常被应用于大跨度桥梁和市政高架桥中。钢箱梁的施工方法有支架拼装法、顶推法及转体施工法，各施工方法可根据现场实际情况确定。

1 工程概况

沈阳市南北快速干道工程南段高架桥上跨沈吉线、新北热电厂专用线及新开河，为减少施工对桥下电气化铁路及地面道路交通的影响，采用1孔70.0m简支钢箱梁，采用顶推法施工。高架桥为双向4车道，全宽17.5m，钢箱梁采用单箱五室闭合截面，箱梁中心线位置梁高2.295m。横坡为双向1.5%，横坡通过调整主梁腹板高度来形成。钢箱梁断面见图1。

图1 钢箱梁标准断面

2 有限元分析

采用Midas/Civil运用空间板壳有限元理论对结构进行有限元数值分析，模拟计算钢箱梁顶推施工各阶段及运营阶段桥梁结构受力及变形情况。

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Civil空间板单元计算，计算模型见图2。

图2 钢箱梁计算模型

2.2 计算参数

2.2.1材料选取

钢材Q345E：弹性模量E=2.06×105MPa，剪切模量G=0.81×105MPa。

钢材抗拉、抗压和抗弯f d=270Mpa

钢材抗剪f vd=155Mpa（根据“公路钢结构桥梁设计规范”选用）

2.2.2计算荷载

（1）恒载：钢材78.5kN/m3，铺装23kN/m3，防撞栏杆12.5kN/m。

（2）活载：城－A级；整体升温36℃、整体降温-63℃。

3 计算结果与分析

3.1应力计算

Midas/Civil空间板壳有限元模型能够全面的计算钢箱梁各构件的应力，受篇幅限制，仅列出正常使用极限短期效应组合下，钢箱梁顶板、底板、腹板及横隔板的应力计算结果。

（1）顶板应力

图3-1 顶板正应力云图

由图3-1可知，顶板最大有效应力为141.6Mpa<270 Mpa。

图3-2 顶板剪应力云图

由图3-2可知，顶板最大剪应力为66.2Mpa<155 Mpa。

（2）底板应力

图4-1 底板正应力云图

由图4-1可知，底板最大有效应力为185.7Mpa<270 Mpa。

图4-2 底板剪正应力云图

由图4-2可知，底板最大剪应力为80.4Mpa<155 Mpa。（3）腹板应力

图5-1 腹板正应力云图

由图5-1可知，腹板最大有效应力为182.8Mpa<270 Mpa

图5-2 腹板剪应力云图

由图5-2可知，腹板最大剪应力为102.4Mpa<155 Mpa。（4）横隔板应力

图6-1 横隔板正应力云图

由图6-1可知，横隔板最大有效应力为

147.6Mpa<270 Mpa

图6-2 横隔板剪应力云图

由图6-2可知，跨中横隔板最大剪应力为102.4Mpa<155 Mpa 。

由应力云图3-6可见，钢箱梁顶板、底板、腹板及横隔板的应力均满足规范要求，空间板壳有限元法建模比较繁琐，但是能够准确地模拟钢箱梁各构件之间的联系与作用，能够考虑整体受力与局部受力的耦合关系，计算结果安全可靠。

3.2支座局部承压计算

支座局部承压有效应力按照以下公式计算: ][b D eb s V b t B A R σσ≤+= ，[σb ]为局部承有效容许应力；R V 为支座反力；As 为横向加劲肋净截面积；t D 为横隔板厚度；B eb 为横隔板有效宽度。

67.0410704000059.3920205(820236)30118760

b Mpa σ⨯===⨯⨯++⨯⨯<270Mpa, 支座局部承压满足要求。

3.3抗倾覆稳定计算

抗倾覆稳定按照以下公式计算:

2.5(1)()Gi i qf k k R x q l P e

γμ=≥++∑，q k 为车道荷载中均布荷载；P k 为车道荷载中集中荷载；l 为桥梁全长；e 为横向最不利车道位置道倾覆轴线的垂直距离。

4450 4.8242720 5.171.3[10.570360](4.45 1.35)8256.3

qf r ⨯⨯===⨯⨯+⨯+>2.5，抗倾覆满足要求。

4顶推法施工

4.1顶推结构计算

受建设工期影响，并充分考虑对铁路运营和地面道路交通的影响，该桥采用滑移顶推法施工。该简支钢箱梁共计70.0m，顶推施工时将桥体分为12段，第一段桥体（顶推前端）布设2个滑靴，其余每段布设一个滑靴，所有滑靴设置位置均有横隔板。

根据现场实际情况，临时支架布置位置见下图7：

图7临时支架立面布置图

按照滑移顶推施工顺序，建立了31个施工阶段的有限元模型，分析导梁、钢箱梁及临时支墩受力及变形状况。通过计算顶推施工阶段各构件受力及变形均满足规范。

4.2顶推施工控制要点

（1）顶推过程中随时检查桥梁轴线，如发现桥梁中线偏移大于20mm时，应用千斤顶纠偏复位。

（2）滑块随梁段的顶推前进，滑座上的滑块随梁底同步向前滑移，要及时由后面插入补充滑块，保证顶推上部结构与下部临时支墩接触。

5结论

（1）采用Midas/Civil空间板壳有限元模型计算，钢箱梁顶板、底板、腹板及横隔板的应力均满足规范要求；

（2）钢箱梁计算不仅要计算各构件的应力变形情况，还应进行整体稳定、局部稳定、支座局部承压、抗倾覆稳定等项目的计算分析。

（3）本工程大跨度简支钢箱梁顶推法施工的成功实施为同类型钢箱梁设计及施工积累了宝贵经验。

参考文献：

［1］中华人民共和国交通部．JTG D62-2004．公路钢筋混凝土及预应力混凝凝土桥涵设计规范[S]．北京：人民交通出版社，2004

［2］中华人民共和国交通运输部．JTG D64-2015．公路钢结构桥梁设计规范[S]．北京：人民交通出版社，2015

［3］吉伯海、傅中秋.钢桥[M]．北京：人民交通出版社，2016

［4］宋建嫱. 简支钢箱梁设计[J].中国水运.2012（10）:208-210

［5］刘添俊、安关峰、张洪彬. 城市复杂环境下大跨度钢箱梁施工技术研究 [J].城市道桥与防洪.2010（8）:119-121

［6］齐新、秘志辉. 大跨度连续钢箱梁桥设计与施工[J].桥梁建设.2007（5）:46-48

作者简介：姚长见（1983-），男，湖北黄冈人，研究方向：桥梁结构，工程师，2011年毕业于大连交通大学，工学硕士，E-mail:changjianyao@。